CN112329704A - 屏下指纹传感器、指纹图像生成方法及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种屏下指纹传感器、指纹图像生成方法及电子设备。该屏下指纹传感器包括：多个透镜，定义与透镜相对应的指纹获取区域中的部分为子获取区域，相邻子获取区域至少部分重叠，透镜用于使从子获取区域入射的光中属于垂直入射角范围的光射向透镜的焦点；以及图像传感器，设置于多个透镜的出光侧，图像传感器中配置有多个光接收区域和图像生成单元，多个光接收区域用于接收经过透镜焦点的光，图像生成单元接收各光接收区域的像素值并对各像素值进行组合，显示面板具有远离透明盖板一侧的第一下表面，垂直入射角范围包括向第一下表面垂直入射的光的入射角或向第一下表面倾斜入射且折射至焦点的光的入射角。

Description

屏下指纹传感器、指纹图像生成方法及电子设备

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体而言，涉及一种指纹传感器、指纹图像生成方法及电子设备。

背景技术

指纹传感器对指纹的图像进行拍摄从而转换为电信号。为了拍摄指纹图像，现有的光学式指纹传感器具有向指纹照射光从而使其反射光的光学系统。但是，类似于棱镜、反射镜、透镜的光学系统由于通常具有相当大的体积，所以具有光学式指纹传感器的电子设备难以实现小型化。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种指纹传感器、指纹图像生成方法及电子设备，以解决现有技术中的指纹传感器难以实现小型化的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种屏下指纹传感器，屏下指纹传感器的同一侧设置有显示面板和透明盖板，透明盖板设置于显示面板远离屏下指纹传感器的一侧表面，透明盖板具有指纹获取区域，屏下指纹传感器通过从指纹获取区域入射的光生成指纹图像，屏下指纹传感器包括：多个透镜，定义与透镜相对应的指纹获取区域中的部分为子获取区域，相邻子获取区域至少部分重叠，透镜用于使从子获取区域入射的光中属于垂直入射角范围的光射向透镜的焦点；以及图像传感器，设置于多个透镜的出光侧，图像传感器中配置有多个光接收区域和图像生成单元，多个光接收区域用于接收经过透镜焦点的光，图像生成单元接收各光接收区域的像素值并对各像素值进行组合，显示面板具有远离透明盖板一侧的第一下表面，垂直入射角范围包括向第一下表面垂直入射的光的入射角或向第一下表面倾斜入射且折射至焦点的光的入射角。

进一步地，屏下指纹传感器还包括倾斜光阻隔结构，倾斜光阻隔结构的至少一部分由非透光材料形成，倾斜光阻隔结构配置于多个透镜与图像传感器之间，或倾斜光阻隔结构配置于多个透镜远离图像传感器的一侧，用于提供使得属于垂直入射角范围的光通过的光学路径，并阻隔垂直入射角范围之外的光。

进一步地，倾斜光阻隔结构由非透光材料形成，且倾斜光阻隔结构具有与透镜一一对应的多个贯通孔。

进一步地，倾斜光阻隔结构为由非透光材料形成的多个子阻隔层。

进一步地，多个子阻隔层中与透镜相对应的位置形成有开口。

进一步地，各光接收区域包括多个光接收部，一个子获取区域对应属于不同光接收区域中的至少一个光接收部。

进一步地，在相邻两个光接收区域中，位于不同光接收区域中不同位置的两个光接收部接收属于垂直入射角范围的光的折射光，垂直入射角范围的光从相同子获取区域入射。

进一步地，在相邻四个光接收区域中，位于不同光接收区域中不同位置的四个光接收部接收属于垂直入射角范围的光的折射光，垂直入射角范围的光从相同子获取区域入射。

进一步地，图像生成单元包括生成模块、图像偏移消除模块和组合模块，生成模块用于生成偏移图像，图像偏移消除模块用于消除偏移图像中的偏移以得到对应的多个子图像，组合模块用于结合多个子图像以生成指纹图像。

根据本发明的另一方面，提供了一种指纹图像生成方法，采用上述的屏下指纹传感器，屏下指纹传感器的同一侧设置有显示面板和透明盖板，透明盖板具有指纹获取区域，指纹图像生成方法包括如下步骤：利用屏下指纹传感器中的透镜，使从指纹获取区域中子获取区域入射的光中属于垂直入射角范围的光射向透镜的焦点，并利用图像传感器接收属于垂直入射角范围的折射后的光；利用图像传感器中的光接收区域生成像素值，并将像素值进行组合。

进一步地，屏下指纹传感器中的各光接收区域包括多个光接收部，指纹图像生成方法包括如下步骤：将透明盖板的多个子获取区域划分为角部子获取区域、边缘子获取区域和中心子获取区域，角部子获取区域位于多个子获取区域的四个角，角部子获取区域和边缘子获取区域均位于子获取区域外侧，边缘子获取区域位于相邻角部子获取区域之间，中心子获取区域是位于角部子获取区域之间的除边缘子获取区域之外的子获取区域；利用多个光接收部接收从中心子获取区域射出的光，各光接收部分别位于相邻的不同光接收区域中；利用各光接收部生成像素值，像素值与从对应中心子获取区域入射的光的光量成比例；以及将不同光接收区域中光接收部生成的像素值进行组合，在不同光接收区域中的各光接收部对应不同位置。

进一步地，各光接收区域由四个光接收部构成，指纹图像生成方法包括如下步骤：利用第一光接收部、第二光接收部、第三光接收部和第四光接收部接收从角部子获取区域和中心子获取区域射出的光，第一光接收部、第二光接收部、第三光接收部和第四光接收部分别位于相邻的不同光接收区域中；利用第一光接收部、第二光接收部、第三光接收部和第四光接收部生成对应的像素值，并将像素值进行组合。

进一步地，屏下指纹传感器中的各光接收区域包括多个光接收部，指纹图像生成方法包括如下步骤：利用多个光接收部生成一一对应的多个像素值，像素值与从对应子获取区域入射的光的光量成比例，各光接收部分别位于相邻的不同光接收区域中；利用各像素值生成偏移图像；消除偏移图像中的偏移，以得到对应的多个子图像；结合多个子图像，以生成指纹图像。

进一步地，各光接收区域由四个光接收部构成，指纹图像生成方法包括如下步骤：利用第一光接收部、第二光接收部、第三光接收部和第四光接收部生成对应的像素值，第一光接收部、第二光接收部、第三光接收部和第四光接收部分别位于相邻的不同光接收区域中；利用第一光接收部生成的像素值生成第一偏移图像，利用第二光接收部生成的像素值生成第二偏移图像，利用第三光接收部生成的像素值生成第三偏移图像，利用第四光接收部生成的像素值生成第四偏移图像；消除第一偏移图像至第四偏移图像中的偏移，以得到第一子图像至第四子图像；以及结合第一子图像至第四子图像，以生成指纹图像。

进一步地，指纹获取区域包括第一子获取区域、第二子获取区域、第三子获取区域和第四子获取区域，第一光接收部、第二光接收部、第三光接收部和第四光接收部一一对应地分布于第一子获取区域、第二子获取区域、第三子获取区域和第四子获取区域的出光侧，第一光接收部、第二光接收部、第三光接收部和第四光接收部通过透镜分别接收来自第四子获取区域、第三子获取区域、第二子获取区域及第一子获取区域的光。

进一步地，第一子获取区域、第二子获取区域、第三子获取区域和第四子获取区域由两条相交的直线分隔而成，且第一子获取区域、第二子获取区域、第三子获取区域和第四子获取区域呈顺时针分布。

根据本发明的另一方面，提供了一种电子设备，包括透明盖板、显示面板和屏下指纹传感器，显示面板和透明盖板设置于屏下指纹传感器的同一侧，透明盖板设置于显示面板远离屏下指纹传感器的一侧表面，该屏下指纹传感器为上述的屏下指纹传感器，显示面板的靠近屏下指纹传感器的一侧表面是折射率不同的两个介质间的界面，从显示面板的第一下表面向透镜入射的光中，属于垂直入射角范围的光通过透镜到达光接收区域。

应用本发明的技术方案，提供了一种屏下指纹传感器，透明盖板设置于显示面板远离屏下指纹传感器的一侧表面，透明盖板具有指纹获取区域，屏下指纹传感器通过从指纹获取区域入射的光生成指纹图像，且该屏下指纹传感器包括多个透镜和图像传感器，定义与透镜相对应的指纹获取区域中的部分为子获取区域，相邻子获取区域至少部分重叠，透镜用于使从子获取区域出射的光中属于垂直入射角范围的光射向透镜的焦点，图像传感器设置于透镜的出光侧，图像传感器中配置有多个光接收区域，多个光接收区域位于多个透镜的出光侧，用于接收属于垂直入射角范围的折射后的光，由于上述透镜可以仅设置于与子获取区域出射的光中属于垂直入射角范围的光对应的位置，从而通过将指纹获取区域划分为小面积的子获取区域，能够将具有小尺寸的透镜应用于屏下指纹传感器中，进而实现了具有光学式指纹传感器的电子设备的小型化。

附图说明

下面，参照附图所示的实施例对本发明进行说明。为了有助于理解，在所有附图中，对于相同的构成要素标注相同的附图标记。应理解，附图中所示出的结构仅仅是为了说明本发明而示例性实施的实施例，本发明的范围并非限定于此。尤其，为了有助于发明的理解，附图中多少放大示出了部分构成要素。附图是用于理解发明的部分，因此附图所表现的构成要素的宽度或厚度等可能与实际实施时有差别。

图1示出了具有本发明所提供的一种屏下指纹传感器的电子设备的示意图；

图2-3示出了本发明所提供的屏下指纹传感器利用面板光生成指纹图像的原理示意图；

图4是示意性示出屏下指纹传感器的操作原理的剖视图；

图5-7分别示出了现有技术中垂直结构的指纹传感器的示例图；

图8示出了本发明中一种垂直结构的屏下指纹传感器的示例图；

图9示例性示出倾斜光阻隔结构位于透镜下方的屏下指纹传感器的分解立体图；

图10示例性示出倾斜光阻隔结构位于透镜上方的屏下指纹传感器的分解立体图；

图11示出了一个实施例中屏下指纹传感器的剖面结构示意图；

图12示出了另一个实施例中屏下指纹传感器的剖面结构示意图；

图13示出了屏下指纹传感器与子获取区域的关系示意图；

图14示出了一个实施例中屏下指纹传感器通过图13所示的关系生成指纹图像的示意图；

图15示出了另一个实施例中屏下指纹传感器通过图13所示的关系生成指纹图像的示意图。

具体实施方式

本发明可以实施多种变更，且可以具有各种实施例，对于特定实施例则在图中示出，并通过详细说明对其进行详细说明。但是，其并非意在将本发明限定于特定的实施方式，应理解为包含本发明的构思及技术范围所包含的全部变更、等同方式及替代方式。尤其，下面将参照附图进行说明的功能、特征、实施例可以单独实现或与其他实施例结合来实现。由此，应注意，本发明的范围并非限定于附图所示的方式。

另外，本发明中所使用的术语中“实际”、“几乎”、“大约”等表述，是考虑到在实际实施时适用的余量或可能出现的误差而使用的。例如，“实际90度”应理解为如下意义：将能够得到与90度时的效果相同的效果的角度也包括在内。另一个例子中，“几乎没有的”应理解为如下意义：虽存在很少能够忽略，但确实存在。

另外，只要没有特别提及，则“侧面”或“水平”是指图中的左右方向，“竖直”是指图中的上下方向。此外，只要没有特别定义，则角度、入射角等是指以与图中所示的水平面相垂直的虚拟直线为基准。

在所有附图中，相同或类似的术语使用相同的附图标记。

正如背景技术中所介绍的，现有技术中的指纹传感器难以实现小型化的问题。本发明的发明人针对上述问题进行研究，提出了一种屏下指纹传感器，图1是示意性示出具有本发明所提供的一种屏下指纹传感器的电子设备的示例图。

具有上述屏下指纹传感器的电子设备10包括透明盖板30、显示面板(DisplayPanel)20、触摸式传感器(未示出)及屏下指纹传感器100。屏下指纹传感器100对位于透明盖板30(如盖板玻璃)表面的手指的指纹进行拍摄，用于生成指纹图像。显示面板20具有远离透明盖板30一侧的第一下表面，屏下指纹传感器100也可以设置于显示面板20的第一下表面，用于生成指纹图像。

电子设备10还可以包括指纹感应层(未示出)，指纹感应层具有与屏下指纹传感器100相同结构，且指纹感应层设置于部分或全部第一下表面上，用于在任意的位置上生成指纹图像。屏下指纹传感器100与指纹感应层仅仅是在第一下表面的覆盖面积和/或能够生成指纹图像的位置不同，但具有相同的原理和结构，因此，下面以屏下指纹传感器100为中心进行说明。

图1是电子设备10的一个实施例，示出了一种在正面附着有透明盖板30的智能手机。透明盖板30具有靠近显示面板20一侧的第二下表面，透明盖板30的第二下表面形成有上方涂层区域32a及下方涂层区域32b，该上方涂层区域32a及下方涂层区域32b用于界定出显示面板20可见的区域。

另外，根据电子设备10的种类，透明盖板30的第二下表面还可以形成有左涂层区域和右涂层区域，左涂层区域和右涂层区域(未示出)能够分别与上方涂层区域32a及下方涂层区域32b的两端连接。

电子设备10的正面可以设置有：占据相对较大面积的显示面板20；占据相对较小面积的扬声器、摄像头(camera)；和/或照度传感器。透明盖板30覆盖显示面板20的整体，根据电子设备的种类，透明盖板30可以覆盖电子设备10的正面中的至少部分。

图2和图3示出了本发明所提供的屏下指纹传感器利用面板光生成指纹图像的原理示意图。

参照图2，屏下指纹传感器100能够利用显示面板20生成的光(下称“面板光”)来生成指纹图像。面板光中的至少一部分向透明盖板30垂直发射，该部分面板光为第一光线33。手指40的脊线接触透明盖板30时，到达透明盖板与脊线的接触位置的面板光被脊线吸收，而到达透明盖板与手指40的谷线的接触位置的面板光向显示面板20反射，被反射的面板光通过显示面板20后到达屏下指纹传感器100。面板光能够以各种角度反射到达屏下指纹传感器100中，面板光中的部分第一光线33能够垂直通过显示面板20，该部分面板光为第二光线34，屏下指纹传感器100利用接收到的第二光线34生成指纹图像。

从图3中可以看出，由于屏下指纹传感器100接收到的是透明盖板30上手指40的谷线的接触位置所反射的光，所以指纹图像中与指纹的谷线对应的位置呈现得相对较亮，与指纹的脊线对应的位置呈现得相对较暗。

用于生成指纹图像的面板光的光源可以是显示面板20。显示面板20具有RGB三种像素，通过点亮显示面板20中的G像素和/或B像素，能够生成向手指40照射的面板光。面板光可以是可见光，如绿色光、蓝色光或两者的组合光。

为了消除近红外线波段以上的波段的光造成的影响，屏下指纹传感器100还可以包括红外截止滤光片(IR cut filter)。透明盖板30具有与显示面板20的发光区域对应的指纹获取区域31，当手指40位于指纹获取区域31上方时，与指纹获取区域31对应的G像素和/或B像素能够被点亮，或者与指纹获取区域31之外的区域对应的G像素和/或B像素能够被点亮。

图4示出了本发明所提供的一种屏下指纹传感器的操作原理示意图。

参照图4，屏下指纹传感器100包括透镜110及图像传感器120，图像传感器120设置于透镜110远离显示面板20的一侧。

屏下指纹传感器100位于显示面板20的下侧。从显示面板20的第一下表面21射出的光在通过透镜110后，向图像传感器120入射。显示面板20的第一下表面21与透镜110之间的空间可以通过空气填充，此时显示面板20的第一下表面21是具有不同折射率的两个介质间的界面。由于空气的折射率小于显示面板20的折射率，因此在显示面板20内朝向第一下表面21的光以大于入射角的折射角在第一下表面21处发生折射，此时通过第一下表面21的光可以以任意的角度发生折射。

如图4所示，入射角为θ_vertical的光I₉₀入射到第一下表面21上并指向透镜110的焦点f。入射角θ_vertical不仅包括相对于第一下表面21垂直的入射角，还能够包括倾斜一定程度的入射角，后面统称为“垂直入射角范围”，入射角θ_vertical的光I₉₀通过第一下表面21的位置a并向透镜110的焦点f入射。同时，入射角为θ_inclined的光I_θ入射到位置a处发生折射而形成光I_θ’，I_θ’通过透镜110并位于透镜110的焦点f之外，因此入射角θ_inclined不属于上述垂直入射角范围。入射角接近全反射角度的光能够在第一下表面21以几乎90°发生折射。图像传感器120具有靠近第一下表面21一侧的上表面122，透镜110可以为设置于该上表面122上间隔设置的多个，倾斜折射的光I_θ’的一部入射至透镜110中，其余部分从位于相邻透镜110之间的图像传感器120的上表面122入射。

图像传感器120中可以具有与透镜110一一对应的多个光接收区域121，各透镜110的焦点f一一对应地位于各光接收区域121中，垂直入射角范围能够扩大光接收区域121的视野角。例如，当只有垂直入射的光到达透镜110的焦点f时(参照图4)，定义与该透镜110相应的指纹获取区域31的面积为第一面积，透镜110的面积与该第一面积几乎一致。而当到达透镜120的焦点f的光还具有属于垂直入射角范围的入射角的光时，定义与该透镜110相对应的指纹获取区域31中的部分为子获取区域，该子获取区域的面积能够大于上述第一面积。

在一个实施例中，透镜阵列包括在图像传感器120的上表面122上排列的第一透镜110a、第二透镜110b和第三透镜110c，如图4所示，第一透镜110a、第二透镜110b和第三透镜110c的下表面为平面，上表面为曲面，即第一透镜110a、第二透镜110b和第三透镜110c的水平剖面为圆形，且沿远离图像传感器120的方向，第一透镜110a、第二透镜110b和第三透镜110c的水平剖面的直径逐渐减小。第一透镜110a、第二透镜110b和第三透镜110c分别与图像传感器120中光接收区域121对应设置，且第一透镜110a、第二透镜110b和第三透镜110c的焦点f分别位于不同的光接收区域121中。各光接收区域121可以包括与各透镜相对应的四个光接收部。

在上述实施例中，第一透镜110a、第二透镜110b和第三透镜110c使得向曲面入射的光I₉₀’集中到焦点f，并使以其余角度入射的光I_θ’向焦点f之外的区域折射。焦点f的位置因透镜的直径、曲率等因素而定。

在上述实施例中，图像传感器120可以具有CMOS图像传感器(CIS，CMOS ImageSensor)模块，该CIS模块通常包括：光学透镜，包括第一透镜110a、第二透镜110b和第三透镜110c，用于调节焦点；微型透镜，与图像传感器中各个光接收部对应设置，用于增加光接收部中入射光的光量。CIS模块的微型透镜使得具有一定范围入射角的光朝向光接收部，从而使得光量集中，第一透镜110a、第二透镜110b和第三透镜110c能够使得光I₉₀’集中到光接收区域121中形成焦点f，并使得光I_θ’脱离焦点f。

上述显示面板20的第一下表面21为具有不同折射率的介质间的界面，通过第一下表面21与透镜110相结合，图像传感器120能够仅检测光I₉₀’。以图4为例进行说明，光I₉₀与光I_θ在第一下表面21上的相同位置a入射。光I₉₀’到达第一透镜110a的曲面。同时，折射后的光I_θ’的部分到达第一透镜110a的曲面，其余部分到达邻近的其他透镜(第二透镜110b和第三透镜110c)的曲面。光I₉₀’在到达第一透镜110a的曲面后，都向第一透镜110a的焦点f折射。而光I_θ’在到达第一透镜110a的曲面后脱离第一透镜110a的焦点f。然而需要注意的是，到达第二透镜110b的曲面的光I_θ’虽然无法到达第一透镜110a的焦点f，但根据入射位置和/或入射角而不同，部分光I_θ’能够到达位于透镜的右侧的其他透镜110b的焦点。

上述图像传感器120的上表面122中具有未设置透镜阵列的平面区域，由于在该平面区域入射的光不发生折射，从而使得入射的光能够脱离透镜110的焦点f。另外，在平面区域以垂直入射角范围以外的角度入射的光I_θ’在经过上表面122时发生折射，也可能脱离焦点f。

从图像传感器120的上表面122到光接收部的光学路径以具有大于空气的折射率的物质填充，此时图像传感器120的上表面122为具有不同折射率的两个介质间的界面。由此，朝向图像传感器120入射的光的折射角比入射角小。从上表面122中平面区域入射的光I_θ’虽然无法到达第一透镜110a的焦点f，但是一部分可以到达邻近的透镜(第二透镜110b和第三透镜110c)的焦点。然而，并非所有的光在通过上述平面区域后均能够到达相邻透镜的焦点，下面将结合对比例进行说明。

图5至图8示出了图4所示的结构与现有结构的差异，其中，图5至图7中分别示出了现有的垂直结构指纹传感器，图8中示出了本发明的垂直结构指纹传感器。

如图5所示的垂直结构指纹传感器，对从子获取区域31L’垂直入射的光进行接收从而生成指纹图像。换句话说，向透镜入射的光从位于透镜的竖直上方的子获取区域31L’射出。与图6中示例的结构相比，优点在于，由于与透镜相对应的子获取区域31L’的面积较大，所以光接收部能够接收的光量相对较大。

如图6中示出的结构而言，采用的透镜直径大约为图5中示出的1/2。与图5中示出的结构相比时，由于直径为a的透镜实现的结构中的子获取区域31S’的面积相比图5实际缩小1/4以下，所以图像传感器的光接收部能够接收的光量实际也减少到1/4以下。虽然检测的光量虽然减小，但图6中示出的结构的优点在于，能够使得透镜的焦点距离变短，因此能够相比图5大幅度缩小指纹传感器的厚度。这里，图6中四个子获取区域31S’可以与图5中一个子获取区域31L具有实际相同的面积。

图7和图8中示意性示出的垂直结构指纹传感器与图6实际具有相同的透镜大小，但是与图6的子获取区域31S’相比，能够具有较大的子获取区域。与仅利用从子获取区域射出的垂直光的结构相比，图7和图8中示出的结构不仅能够接收垂直光，而且也能够接收一定范围的倾斜光，该一定范围的倾斜光是能够通过透镜向焦点折射的一定范围的倾斜光。如图4所示，如果利用一定范围的倾斜光，则增加与透镜或光接收部相对应的子获取区域的面积。

在图7中，与一个透镜相对应的一个子获取区域31L”可以比图6的子获取区域31S’大。虽然图7中的透镜具有与图6实际相同的直径，但是因为能够接收一定范围的倾斜光，所以与并排配置的两个透镜分别相对应的两个子获取区域31L”可以至少有一部分重叠。重叠区域OL在子获取区域31L”中占据的比例可以由透镜与子获取区域间的距离、透镜间距(pitch)等各种因素决定。图7中示出的结构中一个透镜与一个光接收部相对应。

在图8中，与一个透镜相对应的四个子获取区域31L比图6的子获取区域31S’大。四个子获取区域31L与四个光接收部相对应，其位置通过透镜上下左右翻转。例如，从左侧上方的子获取区域31L射出的光被右侧下方的光接收部接收。下面参照附图对以图8中示出的结构为基础的多种实施例进行详细说明。

图9和图10分别示例性示出了屏下指纹传感器的结构的分解立体图，屏下指纹传感器包括倾斜光阻隔结构，图9为倾斜光阻隔结构位于透镜下方的实施例，图10为倾斜光阻隔结构位于透镜上方的实施例。

参照图9，屏下指纹传感器100包括多个透镜110、倾斜光阻隔结构130及图像传感器120。光I₉₀与光I_θ从构成指纹获取区域31的子获取区域31L朝屏下指纹传感器100入射。

多个透镜110与显示面板20的第一下表面21分离配置。多个透镜110以固定的透镜间距P分离配置。显示面板20的第一下表面21与透镜110之间的空间通过介质进行填充，如空气。由此，显示面板20的第一下表面21是折射率不同的两个介质间的界面。空气的折射率小于显示面板20的折射率，因此在显示面板20内朝向第一下表面21的光以大于入射角的折射角发生折射。如图4所示，光I₉₀与光I_θ通过显示面板20的第一下表面21后，变为光I₉₀’与光I_θ’。透镜110使得向曲面入射的光I₉₀’向位于焦点f的光接收区域121集中，并且使得以其余角度入射的光I_θ’向光接收部之外的地点折射。

倾斜光阻隔结构130配置于多个透镜110下方。倾斜光阻隔结构130提供光学路径，该光学路径能够使得被透镜110集中的光I₉₀’通过，并阻隔被透镜110折射的光I_θ’。为了阻隔光I_θ’，倾斜光阻隔结构130的至少一部分由非透光材料形成。倾斜光阻隔结构130包括形成于透镜110下方的贯通孔131，贯通孔131可以由透光材料填充。填充于贯通孔131中的透光材料形成光I₉₀’能够通过的光学路径。

图像传感器120配置于倾斜光阻隔结构130的下方。图像传感器120包括配置于各个透镜110的下方的光接收区域121。光接收区域121由通过一个透镜110与多个子获取区域31L分别对应的多个光接收部(第一光接收部121a、第二光接收部121b、第三光接收部121c、第四光接收部121d，后面统称为光接收部121a、121b、121c、121d)构成。多个光接收区域121能够按照与透镜间距P相同的间距配置。光接收部121a、121b、121c、121d可以是光电二极管，该光电二极管能够将接收的光的光量转换为与之相应的像素值。

参照图10，屏下指纹传感器101包括倾斜光阻隔结构132、多个透镜110及图像传感器120。光I₉₀与光I_θ从构成指纹获取区域31的子获取区域31L向屏下指纹传感器100入射。

作为一个实施例，倾斜光阻隔结构132能够以与透镜110分离的方式配置于显示面板20的第一下表面21。倾斜光阻隔结构132提供光学路径，该光学路径可以使得能够被透镜110集中的光I₉₀通过，并阻隔一部分光I_θ。倾斜光阻隔结构132的下表面与透镜110之间的空间通过介质进行填充，如空气。由此，倾斜光阻隔结构132的下表面是折射率不同的两个介质间的界面。空气的折射率小于倾斜光阻隔结构132的折射率，因此通过倾斜光阻隔结构132的光学路径的光以大于入射角的折射角发生折射。光I₉₀与光I_θ通过倾斜光阻隔结构132的下表面而变为光I₉₀’与光I_θ’。为了阻隔光I_θ’，倾斜光阻隔结构132的至少一部分由非透光材料形成。倾斜光阻隔结构132包括形成于与透镜110的上方相对应位置的贯通孔133，并且贯通孔133可以由透光材料填充。填充于贯通孔133中的透光材料形成光I₉₀能够通过的光学路径。

作为另一个实施例，倾斜光阻隔结构132可以配置于显示面板20与透镜110之间。光I₉₀与光I_θ通过显示面板20的第一下表面21而变为光I₉₀’与光I_θ’。倾斜光阻隔结构132提供能够使得光I₉₀’通过的光学路径，并阻隔光I_θ’。为了阻隔光I_θ’，倾斜光阻隔结构132的至少一部分由非透光材料形成。倾斜光阻隔结构132包括形成于与透镜110的上方相对应的位置的贯通孔133。贯通孔133的直径实际大于或等于透镜110的直径。换句话说，透镜110设置于透镜基板上，如果使得倾斜光阻隔结构132配置于透镜基板的上表面，则透镜110能够收纳于贯通孔133内。

多个透镜110以一定透镜间距P分离配置于倾斜光阻隔结构132的下方。透镜110使入射到曲面的光I₉₀’向位于焦点f的光接收区域121集中，并且使得以其余的角度入射的光I_θ’向光接收区域121之外的地点折射。

图像传感器120配置于多个透镜110下方。图像传感器120包括配置于各个透镜110的下方的光接收区域121。光接收区域121由通过一个透镜110与多个子获取区域31L分别对应的多个光接收部121a、121b、121c、121d构成。光接收部121a、121b、121c、121d可以具有实际小于或等于图9的光接收区域121的光接收面积。多个光接收区域121能够以与透镜间距P相同的间距配置。光接收部121a、121b、121c、121d例如可以是光电二极管，该光电二极管能够将接收的光的光量转换为与之相应的像素值。

图11是示例性示出屏下指纹传感器的一个实施例的剖面结构的图。

参照图11，屏下指纹传感器100a包括透镜110、倾斜光阻隔结构200及图像传感器120。透镜110与显示面板20的第一下表面21分离。倾斜光阻隔结构200配置于透镜110的下方。倾斜光阻隔结构200由透光材料形成，包括由吸光材料形成的多个层210、220、230。第一层210能够与倾斜光阻隔结构200的上表面接触或接近，第二层220形成于倾斜光阻隔结构200的内部并位于第一层210的下方，第三层230形成于倾斜光阻隔结构200的内部并位于或靠近倾斜光阻隔结构200的下表面。为了定义能够使得光I₉₀’通过的第一光学路径250，在第一层210、第二层220和第三层230中与第一光学路径250相对应的位置处形成开口。开口可以是圆形，且其直径可以实际小于或等于透镜110的直径。进一步地，光阻隔层240能够形成于透镜110之间的平面上。光阻隔层240能够由吸光材料形成。图像传感器120配置于倾斜光阻隔结构200的下方。图像传感器120包括配置于透镜110下方的光接收区域121。光接收区域121由多个光接收部121a、121b、121c、121d构成，各光接收部通过一个透镜110分别与多个子获取区域31L对应。

图12是示例性示出屏下指纹传感器的另一个实施例的剖面结构的图。

参照图12，屏下指纹传感器101a包括倾斜光阻隔结构200、透镜130及图像传感器120。倾斜光阻隔结构200配置于显示面板20的第一下表面21。倾斜光阻隔结构200由透光材料形成，包括由吸光材料形成的多个层210、220、230。第一层210能够与倾斜光阻隔结构200的上表面接触或接近，第二层220形成于倾斜光阻隔结构200的内部并位于第一层210的下方，第三层230形成于倾斜光阻隔结构200的内部并位于或靠近倾斜光阻隔结构200的下表面。为了定义能够使得光I₉₀’通过的第一光学路径250，在第一层210、第二层220和第三层230中与第一光学路径250相对应的位置处形成开口。开口可以是圆形，且其直径可以实际小于或等于透镜130的直径。透镜130与倾斜光阻隔结构200的下表面分离。透镜130使从倾斜光阻隔结构200的下表面射出的光I₉₀’折射，从而向光接收区域121集中。进一步地，光阻隔层240能够形成于透镜130之间的平面上。光阻隔层240能够由吸光材料形成。图像传感器120配置于透镜130的下方。

图像传感器120包括配置于透镜130的下方的光接收区域121。光接收区域121由多个光接收部121a、121b、121c、121d构成，各光接收部通过一个透镜130与多个子获取区域31L对应。多个光接收区域121能够以与透镜间距P相同的间距配置。

图13是用于示例性说明屏下指纹传感器与子获取区域的关系的图。

参照图13，构成光接收区域121的多个光接收部121a、121b、121c、121d与多个子获取区域(第一子获取区域31La、第二子获取区域31Lb、第三子获取区域31Lc、第四子获取区域31Ld，后面统称为子获取区域31La、31Lb、31Lc、31Ld)分别对应。因为使用一个透镜，所以与多个光接收部121a、121b、121c、121d相对应的多个子获取区域31La、31Lb、31Lc、31Ld上下左右翻转。例如，与光接收部121a对应的第一子获取区域31La定义于光接收部121d的上方，与光接收部121d对应的第四子获取区域31La定义于光接收部121a的上方。

多个光接收区域121以透镜间距P分离配置。作为一个实施例，在相邻的两个光接收区域121之间可以存在一个以上无效光接收部123，该无效光接收部123具有与光接收部相同的结构。无效光接收部123能够与光接收部121a、121b、121c、121d共同驱动，从而根据入射的光量输出像素值，但是如上所述，大部分的倾斜光被倾斜光阻隔结构200阻隔，只有未被阻隔的部分倾斜光到达无效光接收部123，因此可以忽略无效光接收部123生成的像素值。作为另一个实施例，图像传感器120可以仅配置有光接收部。

用于配置光接收区域121的光接收部121a、121b、121c、121d可以以2×2排列。在一个实施例中，光接收部121a、121b、121c、121d可以相互接触配置。在另一个实施例中，光接收部121a、121b、121c、121d可以以与其他光接收部分离的方式配置(图中未示出)。可以通过在光接收部121a、121b、121c、121d之间配置无效光接收部，以实现光接收部121a、121b、121c、121d分离配置。

图14示出了一个实施例中屏下指纹传感器通过图13所示的关系生成指纹图像的示意图。

参照图14，在指纹获取区域31的多个子获取区域31L中，以具有不同指向方向的三角形来表示接收子获取区域31L的出射光的光接收部。指纹获取区域31的多个子获取区域31L可以划分为角部子获取区域、边缘子获取区域和中心子获取区域，角部子获取区域为使仅一个光接收部接收光的区域，边缘子获取区域为使两个光接收部接收光的区域，中心子获取区域为使四个光接收部接收光的区域。如果光接收区域的数量足够大(例如，6×6以上)，则中心子获取区域的面积会大于边缘子获取区域的面积。假设从一个子获取区域31L射出的光量的总和为100，四个光接收部分别接收的光量为25。

从四个角部子获取区域31_corner射出的光仅被四个光接收部中某一个检测到。如图14所示，光接收部包括第一光接收部、第二光接收部、第三光接收部和第四光接收部，与位于指纹获取区域31的左侧上端的角部子获取区域31_corner相对应的第四光接收部能够接收光量约为25的光，其余的光量约为75的光则未被任何光接收部检测到。

从边缘子获取区域31_edge射出的光能够被四个光接收部中的两个光接收部检测到，这两个光接收部分别属于相对的两个光接收区域。如图14所示，与位于指纹获取区域31的上端的边缘子获取区域31_edge相对应的两个光接收部能够分别接收光量约为25的光，其余的光量约为50的光则未被任何光接收部检测到。

另外，从中心子获取区域31_center射出的光能够被四个光接收部的所有光接收部检测到，这四个光接收部分别属于相对的四个光接收区域，分别为第一光接收区域、第二光接收区域、第三光接收区域和第四光接收区域。如图14所示，与位于指纹获取区域31中央的中心子获取区域31_center相对应的四个光接收部能够分别接收光量约为25的光，因此从中心子获取区域31_中心射出的光可以全部被检测到。

指纹图像通过中心子获取区域31_center得以生成时可以合计像素值，该像素值是对从中心子获取区域31_center射出的光进行接收的相对的四个光接收部分别输出的像素值，像素值可以是模拟信号形式的像素电流，或是将像素电流转换为数字信号形式后的像素数据。例如，对从第一光接收区域的第四光接收部、第二光接收区域的第三光接收部、第三光接收区域的第二光接收部及第四光接收区域的第一光接收部获取的像素值进行组合(bining)，能够作为与从中心子获取区域31_center射出的光的光量相对应的数据。此时，屏下指纹传感器能够利用较多的光量来生成对比度较高的指纹图像。

图15示出了另一个实施例中屏下指纹传感器通过图13所示的关系生成指纹图像的示意图。

参照图15，屏下指纹传感器能够生成偏移图像(offset image)及子图像(sub-image)，该偏移图像及子图像的数量与包含于光接收区域的光接收部的数量相同。如果光接收区域为M×M个，且每个光接收区域包括N个光接收部，则生成由N个偏移图像及M×M个像素构成的N个子图像。

首先，屏下指纹传感器生成N个偏移图像时，假设M是5，N是4，即生成的偏移图像包括第一偏移图像300a、第二偏移图像300b、第三偏移图像300c和第四偏移图像300d，且光接收区域内的光接收部彼此相互接触，则第一偏移图像300a通过位于光接收区域的左侧上端的第一光接收部121a生成。上述第一偏移图像300a是由如下从指纹获取区域射出的光所生成的图像：以位于左侧上端的子获取区域为基准，向右侧移动一个子获取区域并向下移动一个子获取区域后的区域。第二偏移图像300b通过位于光接收区域的右侧上端的第二光接收部121b生成。上述第二偏移图像300b是由从如下指纹获取区域射出的光所生成的图像：以位于左侧上端的子获取区域为基准，向下侧移动一个子获取区域后的区域。第三偏移图像300c通过位于光接收区域的左侧下端的第三光接收部121c生成。上述第三偏移图像300c是由从如下指纹获取区域射出的光所生成的图像：以位于左侧上端的子获取区域为基准，向右侧移动一个子获取区域后的区域。第四偏移图像300d通过位于光接收区域的右侧下端的第四光接收部121d生成。上述第四偏移图像300d中不发生偏移。

利用N个偏移图像转换得到N个子图像。例如，N是4，即转换得到第一子图像310a、第二偏移图像310b、第三子图像310c和第四子图像310d，将像素数据的坐标值表示为(m，n)，且位于左侧上端的像素数据的坐标值假设为(0，0)，则第一子图像310a通过将第一偏移图像300a的全部像素数据的坐标值按照(-1，1)移动而生成。第二子图像310b通过将第二偏移图像300b的全部像素数据的坐标值按照(0，1)移动而生成。第三子图像310c通过将第三偏移图像300c的全部像素数据的坐标值按照(-1，0)移动而生成。第四子图像310d由于与第四偏移图像300d相同，所以省略偏移消除过程。通过像素数据的坐标值移动，对第一至第三偏移图像300a、300b、300c消除偏移。

N个子图像可以在生成一个指纹图像时使用。在像素数据的坐标值相同的第一至第四子图像中，具有相同坐标值的像素数据表示属于相同光接收区域的四个光接收部从四个子获取区域接收的光的光量。因此，上述屏下指纹传感器能够利用相对较多的光量来生成对比度较高的指纹图像。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

在本发明的上述屏下指纹传感器中，由于上述透镜可以仅设置于与子获取区域出射的光中属于垂直入射角范围的光对应的位置，从而通过将指纹获取区域划分为小面积的子获取区域，能够将具有小尺寸的透镜应用于屏下指纹传感器中，进而实现了具有光学式指纹传感器的电子设备的小型化。

应理解，为了对前述本发明的说明进行示例，本领域技术人员在不变更本发明的技术构思和必要特征的前提下，能够容易变更为其他具体方式。因此，应理解，以上所记载的实施例在所有方面都仅为示例，并非限定性的。

应理解，本发明的范围通过随附的权利要求书体现，而非上述详细说明，根据权利要求书的意义、范围、其等同概念所导出的全部变更或变形的方式都包含于本发明的范围之内。

Claims (17)

1.一种屏下指纹传感器，所述屏下指纹传感器的同一侧设置有显示面板和透明盖板，所述透明盖板设置于所述显示面板远离所述屏下指纹传感器的一侧表面，所述透明盖板具有指纹获取区域，所述屏下指纹传感器通过从所述指纹获取区域入射的光生成指纹图像，其特征在于，

所述屏下指纹传感器包括：

多个透镜，定义与所述透镜相对应的所述指纹获取区域中的部分为子获取区域，相邻所述子获取区域至少部分重叠，所述透镜用于使从所述子获取区域入射的光中属于垂直入射角范围的光射向所述透镜的焦点；以及

图像传感器，设置于所述多个透镜的出光侧，所述图像传感器中配置有多个光接收区域和图像生成单元，所述多个光接收区域用于接收经过所述透镜焦点的光，所述图像生成单元接收各所述光接收区域的像素值并对各所述像素值进行组合，

所述显示面板具有远离所述透明盖板一侧的第一下表面，所述垂直入射角范围包括向所述第一下表面垂直入射的光的入射角或向所述第一下表面倾斜入射且折射至所述焦点的光的入射角。

2.根据权利要求1所述的屏下指纹传感器，其特征在于，

所述屏下指纹传感器还包括倾斜光阻隔结构，所述倾斜光阻隔结构的至少一部分由非透光材料形成，所述倾斜光阻隔结构配置于所述多个透镜与所述图像传感器之间，或所述倾斜光阻隔结构配置于所述多个透镜远离所述图像传感器的一侧，用于提供使得属于所述垂直入射角范围的光通过的光学路径，并阻隔所述垂直入射角范围之外的光。

3.根据权利要求2所述的屏下指纹传感器，其特征在于，所述倾斜光阻隔结构由所述非透光材料形成，且所述倾斜光阻隔结构具有与所述透镜一一对应的多个贯通孔。

4.根据权利要求2所述的屏下指纹传感器，其特征在于，所述倾斜光阻隔结构为由所述非透光材料形成的多个子阻隔层。

5.根据权利要求4所述的屏下指纹传感器，其特征在于，所述多个子阻隔层中与所述透镜相对应的位置形成有开口。

6.根据权利要求1或2所述的屏下指纹传感器，其特征在于，各所述光接收区域包括多个光接收部，一个所述子获取区域对应属于不同所述光接收区域中的至少一个所述光接收部。

7.根据权利要求6所述的屏下指纹传感器，其特征在于，在相邻两个所述光接收区域中，位于不同所述光接收区域中不同位置的两个所述光接收部接收属于所述垂直入射角范围的光的折射光，所述垂直入射角范围的光从相同所述子获取区域入射。

8.根据权利要求6所述的屏下指纹传感器，其特征在于，在相邻四个所述光接收区域中，位于不同所述光接收区域中不同位置的四个所述光接收部接收属于所述垂直入射角范围的光的折射光，所述垂直入射角范围的光从相同所述子获取区域入射。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的屏下指纹传感器，其特征在于，所述图像生成单元包括生成模块、图像偏移消除模块和组合模块，所述生成模块用于生成偏移图像，所述图像偏移消除模块用于消除所述偏移图像中的偏移以得到对应的多个子图像，所述组合模块用于结合所述多个子图像以生成指纹图像。

10.一种指纹图像生成方法，其特征在于，采用权利要求1至7中任一项所述的屏下指纹传感器，所述屏下指纹传感器的同一侧设置有显示面板和透明盖板，所述透明盖板具有指纹获取区域，所述指纹图像生成方法包括如下步骤：

利用所述屏下指纹传感器中的透镜，使从所述指纹获取区域中子获取区域入射的光中属于垂直入射角范围的光射向所述透镜的焦点，并利用所述图像传感器接收属于所述垂直入射角范围的折射后的光；

利用所述图像传感器中的光接收区域生成像素值，并将所述像素值进行组合。

11.根据权利要求10所述的指纹图像生成方法，其特征在于，所述屏下指纹传感器中的各光接收区域包括多个光接收部，所述指纹图像生成方法包括如下步骤：

将所述透明盖板的多个子获取区域划分为角部子获取区域、边缘子获取区域和中心子获取区域，所述角部子获取区域位于所述多个子获取区域的四个角，所述角部子获取区域和所述边缘子获取区域均位于所述子获取区域外侧，所述边缘子获取区域位于相邻所述角部子获取区域之间，所述中心子获取区域是位于所述角部子获取区域之间的除边缘子获取区域之外的子获取区域；

利用多个所述光接收部接收从所述中心子获取区域射出的光，各所述光接收部分别位于相邻的不同光接收区域中；

利用各所述光接收部生成像素值，所述像素值与从对应所述中心子获取区域入射的光的光量成比例；以及

将不同光接收区域中光接收部生成的像素值进行组合，在不同所述光接收区域中的各所述光接收部对应不同位置。

12.根据权利要求11所述的指纹图像生成方法，其特征在于，各所述光接收区域由四个所述光接收部构成，所述指纹图像生成方法包括如下步骤：

利用第一光接收部、第二光接收部、第三光接收部和第四光接收部接收从所述角部子获取区域和所述中心子获取区域射出的光，所述第一光接收部、所述第二光接收部、所述第三光接收部和所述第四光接收部分别位于相邻的不同光接收区域中；

利用所述第一光接收部、所述第二光接收部、所述第三光接收部和所述第四光接收部生成对应的像素值，并将所述像素值进行组合。

13.根据权利要求10所述的指纹图像生成方法，其特征在于，所述屏下指纹传感器中的各光接收区域包括多个光接收部，所述指纹图像生成方法包括如下步骤：

利用多个所述光接收部生成一一对应的多个像素值，所述像素值与从对应所述子获取区域入射的光的光量成比例，各所述光接收部分别位于相邻的不同光接收区域中；

利用各所述像素值生成偏移图像；

消除所述偏移图像中的偏移，以得到对应的多个子图像；

结合所述多个子图像，以生成指纹图像。

14.根据权利要求13所述的指纹图像生成方法，其特征在于，各所述光接收区域由四个所述光接收部构成，所述指纹图像生成方法包括如下步骤：

利用第一光接收部、第二光接收部、第三光接收部和第四光接收部生成对应的像素值，所述第一光接收部、所述第二光接收部、所述第三光接收部和所述第四光接收部分别位于相邻的不同光接收区域中；

利用所述第一光接收部生成的像素值生成第一偏移图像，利用所述第二光接收部生成的像素值生成第二偏移图像，利用所述第三光接收部生成的像素值生成第三偏移图像，利用所述第四光接收部生成的像素值生成第四偏移图像；

消除所述第一偏移图像至所述第四偏移图像中的偏移，以得到第一子图像至第四子图像；以及

结合所述第一子图像至所述第四子图像，以生成所述指纹图像。

15.根据权利要求12或14所述的指纹图像生成方法，其特征在于，所述指纹获取区域包括第一子获取区域、第二子获取区域、第三子获取区域和第四子获取区域，所述第一光接收部、所述第二光接收部、所述第三光接收部和所述第四光接收部一一对应地分布于所述第一子获取区域、所述第二子获取区域、所述第三子获取区域和所述第四子获取区域的出光侧，所述第一光接收部、所述第二光接收部、所述第三光接收部和所述第四光接收部通过所述透镜分别接收来自所述第四子获取区域、所述第三子获取区域、所述第二子获取区域及所述第一子获取区域的光。

16.根据权利要求15所述的指纹图像生成方法，其特征在于，所述第一子获取区域、所述第二子获取区域、所述第三子获取区域和所述第四子获取区域由两条相交的直线分隔而成，且所述第一子获取区域、所述第二子获取区域、所述第三子获取区域和所述第四子获取区域呈顺时针分布。

17.一种电子设备，包括透明盖板、显示面板和屏下指纹传感器，所述显示面板和所述透明盖板设置于所述屏下指纹传感器的同一侧，所述透明盖板设置于所述显示面板远离所述屏下指纹传感器的一侧表面，其特征在于，

所述屏下指纹传感器为权利要求1至9中任一项所述的屏下指纹传感器，所述显示面板的靠近所述屏下指纹传感器的一侧表面是折射率不同的两个介质间的界面，从所述显示面板的第一下表面向所述透镜入射的光中，属于所述垂直入射角范围的光通过所述透镜到达所述光接收区域。

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